上課課件-第二章氧化

第二章氧化

硅熱氧化2.1引言

■氧化是一種自然現(xiàn)象鐵、銅、銀等金屬的自然氧化

硅、硫、磷等非金屬的自然氧化

Si的自然氧化層很薄在40埃左右氧化是硅基集成電路的基礎(chǔ)工藝之一氧化的目的：保護(hù)硅片表面器件隔離屏蔽摻雜形成電介質(zhì)層2.2氧化原理硅熱氧化的概念：氧分子或水分子在高溫下與硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在硅片表面生長氧化硅的過程。熱氧化分為干氧、濕氧、水汽氧化，其化學(xué)反應(yīng)式：■干氧氧化：Si＋O2→SiO2■濕氧氧化：Si＋H2O＋O2→SiO2+H2■水汽氧化：Si＋H2O→SiO2＋H2■

硅的氧化溫度：750℃～1100℃氧化系統(tǒng)氧化劑（氧分子或水分子）通過擴(kuò)散到達(dá)Si與Si02界面同Si發(fā)生反應(yīng)，其過程如下：1.氧化劑擴(kuò)散穿過滯留層達(dá)到SiO2表面，其流密度為F1;2.氧化劑擴(kuò)散穿過SiO2層達(dá)到SiO2-Si界面，流密度為F2;3.氧化劑在Si表面與Si反應(yīng)生成SiO2，流密度為F3;4.反應(yīng)的副產(chǎn)物離開界面。氧化過程氧化物生長速率氧化層生長第一階段（≤150?

）線性：氧化層生長第二階段（＞150?）拋物線生長階段：其中X為氧化層厚度B/A為線性速率系數(shù)、B為拋物線速率系數(shù)t為生長時(shí)間B/A和B與溫度、氧化劑濃度，反應(yīng)室壓力等因素有關(guān)。氧化物生長曲線影響二氧化硅生長的因素氧化溫度：氧化時(shí)間：摻雜效應(yīng)：重?fù)诫s的硅要比輕摻雜的氧化速率快硅片晶向：<111>硅單晶的氧化速率比<100>稍快反應(yīng)室的壓力：壓力越高氧化速率越快氧化方式：濕氧氧化比干氧氧化速度快常規(guī)氧化工藝硅片清洗（除去硅片上的各種沾污）進(jìn)片/出片（進(jìn)出850℃溫區(qū)的速度：5cm/分）質(zhì)量檢查（厚度及其均勻性、表面缺陷、固定和可動(dòng)電荷的檢測）SiO2厚度大約600nm左右

常規(guī)氧化程序曲線常規(guī)氧化工藝濕氧氧化水汽產(chǎn)生裝置氫氧合成氧化工藝氫氧合成產(chǎn)生水分子替代去離子水加熱產(chǎn)生的水分子。氫氧合成的化學(xué)反應(yīng)方程式：2H2＋O2=2H2O（氫氧合成溫度≥750℃）氫氧合成工藝中，特別注意H2與O2的流量比！熱生長SiO2–Si系統(tǒng)中的實(shí)際電荷情況熱生長SiO2–Si系統(tǒng)在實(shí)際的SiO2–Si系統(tǒng)中，存在四種電荷：1.

可動(dòng)電荷：指Na＋、K＋離子，來源于工藝中的化學(xué)試劑、器皿和各種沾污等。2.固定電荷：指位于SiO2–Si界面2nm以內(nèi)的過剩硅離子，可采用摻氯氧化降低。3.界面態(tài)：指界面陷阱電荷(缺陷、懸掛鍵），可以采用氫氣退火降低。4.陷阱電荷：由輻射產(chǎn)生。熱生長SiO2–Si系統(tǒng)在氧化工藝中，通常在氧化系統(tǒng)中通入少量的HCl氣體（濃度在3％以下）以改善SiO2的質(zhì)量。其優(yōu)點(diǎn)：

1、氯離子進(jìn)入SiO2－Si界面與正電荷中和以減少界面處的電荷積累

2、氧化前通入氯氣處理氧化系統(tǒng)以減少可動(dòng)離子沾污摻氯氧化工藝不摻氯熱氧化層

1.可動(dòng)電荷（主要是Na＋離子）密度：

3×1012～1×1013/cm22.固定電荷密度：1×1012/cm2摻氯熱氧化層

1.可動(dòng)電荷（主要是Na＋離子）密度：

2×1010～1×1011/cm22.固定電荷密度：（1～3）×1011/cm2不摻氯和摻氯氧化層電荷密度的對(duì)比氧化消耗硅

氧化前

氧化后■氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的45％左右選擇性氧化：常用于硅的局部場氧化LOCOS

（LOCalOxidationofSilicon）氧化前氧化后三種熱氧化層質(zhì)量對(duì)比質(zhì)量氧化水溫氧化速率均勻性重復(fù)性結(jié)構(gòu)掩蔽性干氧氧化慢好致密好濕氧氧化95℃快較好適中基本滿足水汽氧化102℃最快差疏松較差1.結(jié)構(gòu)及質(zhì)量：熱生長的比沉積的結(jié)構(gòu)致密，質(zhì)量好。2.成膜溫度：熱生長的比沉積的溫度高。沉積氧化層可在400℃獲得，在金屬布線形成后進(jìn)行，做為金屬之間的層間介質(zhì)和頂層鈍化層。3.硅消耗：熱生長的消耗硅，沉積的不消耗硅。熱生長氧化層與沉積氧化層的區(qū)別

SiO2層的質(zhì)量檢查氧化層表面缺陷的檢查目檢和使用100倍～500倍的顯微鏡檢查氧化層厚度及其均勻性的測量利用光學(xué)干涉原理使用膜厚儀、橢偏儀等儀器測量氧化層固定離子電荷和可動(dòng)離子電荷的測量使用C－V測試儀檢測■通過顏色的不同可估算SiO2層厚度

2.3SiO2結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途SiO2的原子結(jié)構(gòu)：屬于非晶體、無定形結(jié)構(gòu)，Si-O四面體在空間無規(guī)則排列。物理性質(zhì)SiSiO2比重（g/cm3）2.232.20禁帶寬度（eV）1.12~8相對(duì)介電常數(shù)11.73.9熔點(diǎn)（℃）14171700熱導(dǎo)（W/cm.k）1.50.01擊穿場強(qiáng)（V/cm）3×1056×106

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SiO2的物理性質(zhì)SiO2的化學(xué)性質(zhì)

SiO2的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，僅被氫氟酸（HF）腐蝕SiO2在集成電路中的用途1.柵氧層：做MOS結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)層（熱生長）2.場氧層：限制帶電載流子的場區(qū)隔離（熱生長或沉積）3.保護(hù)層：保護(hù)器件以免劃傷和離子沾污（熱生長）4.注入阻擋層：局部離子注入摻雜時(shí)，阻擋注入摻雜（熱生長）5.墊氧層：減小氮化硅與硅之間應(yīng)力（熱生長）6.注入緩沖層：減小離子注入損傷及溝道效應(yīng)（熱生長）7.層間介質(zhì)：用于導(dǎo)電金屬之間的絕緣（沉積）1.柵氧層：熱生長方法形成2.場氧層STI（ShallowTrenchIsolation）用CVD方法形成

厚度2500-15000?NMOS閾值電壓公式2.場氧層LOCOS隔離用熱生長法形成

厚度2500-15000?NMOS閾值電壓公式3.保護(hù)層：保護(hù)有源器件和硅表面免受后續(xù)工藝的影響用熱生長法形成4.注入阻擋層：作為注入或擴(kuò)散摻雜雜質(zhì)到硅中的掩蔽材料用熱生長法形成5.墊氧層用于減小氮化硅與硅之間的應(yīng)力用熱生長法形成6.注入緩沖層：用于減小注入損傷及減小溝道效應(yīng)用熱生長法形成7.層間介質(zhì)：用作金屬連線間的絕緣層用CVD方法形成氧化層應(yīng)用的典型厚度2.4氧化設(shè)備臥式高溫爐立式高溫爐立式爐系統(tǒng)高溫爐的組成1、工藝腔2、硅片傳輸系統(tǒng)3、氣體分配系統(tǒng)4、溫控系統(tǒng)5、尾氣系統(tǒng)2.5快速熱處理快速熱處理（RTP）是在非常短的時(shí)間內(nèi)（經(jīng)常是幾分之一秒）將單個(gè)硅片加熱至400℃～1300℃溫度范圍的過程。RTP的優(yōu)點(diǎn)：

1.減少熱預(yù)算

2.硅中雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)最小

3.冷壁加熱減少沾污

4.腔體小氣氛潔凈

5.更短的加工時(shí)間RTP的應(yīng)用

1.注入退火以減小注入損傷和雜質(zhì)電激活

2.沉積氧化膜增密

3.硼磷